內(nèi)蒙古草地干旱損失評估方法研究

李興華，陳素華

(內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

旱災(zāi)是影響內(nèi)蒙古草地畜牧業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，主要表現(xiàn)在牧草和畜產(chǎn)品減產(chǎn)；草地退化和沙漠化加劇；人畜飲水困難，生命受到威脅。旱災(zāi)具有發(fā)生緩慢、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、發(fā)生頻率高、損害消除慢等特點(diǎn)[1]。隨著氣候變暖加劇，內(nèi)蒙古草地旱災(zāi)發(fā)生頻率越來越高，影響區(qū)域越來越廣，對畜牧業(yè)生產(chǎn)和草原生態(tài)環(huán)境影響所造成的經(jīng)濟(jì)損失也越來越大。草地干旱等級劃分、干旱指標(biāo)和干旱評估一直是干旱研究熱點(diǎn)，劉玲等[2]開展了北方草地干旱指標(biāo)研究，并將土壤相對濕度和相對蒸降差作為評價(jià)干旱的主要指標(biāo)；侯英雨等[3]利用衛(wèi)星遙感開展了干旱指數(shù)研究，并通過對傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測指數(shù)如帕爾默干旱指數(shù)、作物濕度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)、地表水分供應(yīng)指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評述，建立了遙感干旱監(jiān)測指數(shù)；全國氣象干旱評估中主要使用綜合干旱CI指數(shù)[4]；劉靜等[5]利用旱災(zāi)累積指數(shù)在寧夏開展了干旱監(jiān)測和損失評估研究。關(guān)于干旱指數(shù)的研究成果很多，并且也形成了干旱監(jiān)測評估國家和地方標(biāo)準(zhǔn)。干旱損失評估方面，關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和單一作物的損失評估成果比較多，而關(guān)于草地干旱損失評估方面較少。陳素華等[6]開展的干旱對內(nèi)蒙古草原牧草生物量損失的評估方法研究，而該方法也僅對內(nèi)蒙古巴雅爾吐胡碩草原的牧草生物量進(jìn)行了評估，缺乏對內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原和荒漠化草原的綜合損失評估研究，另外干旱不僅對牧草地上生物量有影響，同時(shí)干旱對牲畜生長發(fā)育的危害更大。因此，本研究從干旱對草地地上生物量和畜產(chǎn)品的影響進(jìn)行草地干旱損失評估。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1數(shù)據(jù)資料來源 牧草產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古草甸草原(12個(gè))、典型草原(20個(gè))和荒漠草原(11個(gè))生態(tài)氣象站的試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，包括2004-2011年5-8月的牧草產(chǎn)量和可食牧草比率。各生態(tài)氣象站的觀測區(qū)選擇在能夠代表當(dāng)?shù)刂饕莸仡愋秃湍敛萜骄L狀況且比較平坦的放牧場上，用網(wǎng)圍欄圍建試驗(yàn)場，面積為50 m×50 m，在觀測場內(nèi)隨機(jī)選取1 m×1 m的測產(chǎn)樣方4個(gè)，利用樣方框隔開方框兩側(cè)的整株草，將框內(nèi)全部牧草沿地表用剪刀剪取，裝入布袋用天平稱取鮮質(zhì)量，風(fēng)干后稱干質(zhì)量，測定時(shí)間為每月月末。

氣象資料為內(nèi)蒙古43個(gè)氣象臺站2004-2011年5-8月降水量和降水距平百分率觀測資料。

干旱損失數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古43個(gè)氣象站的干旱調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料。

1.2草地干旱等級的劃分 采用《氣象干旱等級國家標(biāo)準(zhǔn)》中降水量距平百分率指標(biāo)劃分干旱等級[4]，由于內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心參與了《氣象干旱等級國家標(biāo)準(zhǔn)》的制定工作，實(shí)踐證明此標(biāo)準(zhǔn)適合內(nèi)蒙古草地干旱等級劃分。但由于不同草地牧草的需水特性和抗旱能力不同，因此根據(jù)不同草地類型的特點(diǎn)，確定不同的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，降水距平百分率公式如下：

表1 牧業(yè)干旱等級劃分[7-9]

(1)

1.3研究方法 研究方法利用相關(guān)分析和線性回歸分析的方法，并利用SPSS軟件[10]進(jìn)行線性模型、S形擬合曲線模型、Logistic曲線模型、Growth擬合等比級數(shù)曲線模型和Power擬合乘冪曲線模型等模擬建立損失評估模型，評估計(jì)算干旱所造成的牧草直接損失。

2 結(jié)果與分析

草地干旱造成的損失有直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。直接經(jīng)濟(jì)損失主要表現(xiàn)在牧草和畜產(chǎn)品減產(chǎn)以及抗旱投入的人力和經(jīng)費(fèi)；間接經(jīng)濟(jì)損失主要表現(xiàn)在草地退化和沙漠化加劇、人畜飲水困難、生命受到威脅、草地生態(tài)系統(tǒng)受到影響。由于資料和技術(shù)有限，本研究重點(diǎn)對草地干旱造成的直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行評估。

2.1干旱對牧草生長發(fā)育的影響 水是牧草生長發(fā)育的重要條件之一，草本植物的含水量一般為70%～85%，植物群體在積累干物質(zhì)的光合作用過程中，必須消耗一定量的水。已有研究[11]表明，多年生牧草每生成1 g 干物質(zhì)需350～700 g的水；一年生牧草每生成1 g干物質(zhì)需350～450 g的水。干旱不但使牧草返青期推遲，而且還是造成天然草地產(chǎn)草量減產(chǎn)的主要因素。有關(guān)研究[7]表明，濕潤年份降水量分布均衡，天然草地產(chǎn)草量高，干旱年份降水量分布不均衡，天然草地產(chǎn)量低，林緣草甸草地豐歉年產(chǎn)草量相差0.5倍；森林草原草地豐歉年產(chǎn)草量相差1倍；干草原草地豐歉年產(chǎn)草量相差2倍；半荒漠草原草地豐歉年產(chǎn)草量相差4倍。通過對內(nèi)蒙古43個(gè)草原監(jiān)測站近8年5-8月平均降水量與各月平均干草產(chǎn)量的相關(guān)分析(表2)，得出干草產(chǎn)量與5-8月份降水量相關(guān)密切，其相關(guān)方程式利用SPSS軟件，通過模擬對比，得出線性模型和Power擬合乘冪曲線模型為草地牧草單產(chǎn)最優(yōu)估測模型(表2)。

荒漠化草原8月牧草產(chǎn)量與5-8月降水量的相關(guān)系數(shù)最高，典型草原6月牧草產(chǎn)量與5-6月降水量的相關(guān)系數(shù)最低(表2)。這與不同草原區(qū)牧草生長在不同時(shí)段的影響因子有關(guān)。6月牧草產(chǎn)量與5-6月降水量的相關(guān)系數(shù)都較低，這是由于牧草在返青后快速生長初期，產(chǎn)量的形成不但受降水量的影響，同時(shí)溫度也是限制光合速率的主要因子，春末夏初盡管降水偏多，往往伴隨溫度偏低，雨熱不同期牧草生長和干物質(zhì)積累相對緩慢。8月不同草地類型牧草產(chǎn)量與5-8月降水量的相關(guān)系數(shù)都較高，其中荒漠化草原最高，是由于荒漠化草原區(qū)在8月雨熱依然同期，降水仍然能夠促進(jìn)牧草生長；草甸草原相對較低，是由于草甸草原位于緯度較高地區(qū)，牧草在7月中、下旬開花后進(jìn)入繁殖生長階段，干物質(zhì)積累開始變緩，同時(shí)8月中旬以后草甸草原氣溫開始逐漸下降，牧草的光合速率也變慢，因此牧草產(chǎn)量與降水的相關(guān)系數(shù)偏低。7月內(nèi)蒙古各草原區(qū)雨熱同期，各地牧草生長受降水量影響較大，使7月牧草產(chǎn)量與5-7月降水量的相關(guān)系數(shù)都比較高，尤其典型草原的牧草生長與降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.701。

對內(nèi)蒙古43個(gè)草原監(jiān)測站5-7月降水量與7月牧草產(chǎn)量的模擬回代檢驗(yàn)，由于牧草產(chǎn)量受區(qū)域差異的影響，不同地區(qū)牧草產(chǎn)量的變幅較大，有些模擬值偏差較大(圖1)，這主要是由于不同草原類型牧草的需水特性和耐旱能力不同，使牧草的生長速率不同，因此造成模擬誤差增大。總體看，牧草實(shí)測值能夠均勻地分布在模擬曲線兩側(cè)，說明產(chǎn)量模型的模擬效果較好。

表2 內(nèi)蒙古43個(gè)草原監(jiān)測站5-8月平均降水量與各月平均干草產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)和最優(yōu)估測模型

圖1 內(nèi)蒙古43個(gè)草原監(jiān)測站5-7月降水量與7月牧草產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值對比

2.2干旱對牧草產(chǎn)量的損失評估 根據(jù)牧草產(chǎn)量與生長期內(nèi)降水量的相關(guān)性，建立了不同草地類型不同月份牧草產(chǎn)量與降水量的線性模擬方程。由于資料選擇的是近8年43個(gè)測站的均值，因此模擬得到的結(jié)論接近各地牧草產(chǎn)量的正常年份；當(dāng)降水減少時(shí)，牧草逐漸受干旱脅迫，牧草產(chǎn)量下降。為了使干旱等級與牧草損失量建立更加密切的關(guān)系，利用表1降水量距平百分率指標(biāo)劃分干旱等級；在一定的評估區(qū)間內(nèi)，當(dāng)降水減少時(shí)，利用表2中的線性模型計(jì)算牧草減產(chǎn)量，評估干旱對牧草產(chǎn)量的損失影響。干旱對牧草減產(chǎn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算公式為：

MZS=∑Yi×Si×K。

(2)

式中，MZS為牧草減產(chǎn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失；i代表草甸草原、典型草原和荒漠化草原3種草原類型；Yi為不同草原類型單位面積牧草減產(chǎn)量；Si為不同草原類型可利用草地面積，以國家公布的最新土地利用類型面積為準(zhǔn)；K為每千克干草當(dāng)年的平均銷售價(jià)格，以2010年底羊草價(jià)格為1.0～1.5元·kg-1計(jì)。牧草減產(chǎn)計(jì)算公式建議在表2中的線性模型中帶入降水偏少量得出，分草原類型相關(guān)系數(shù)低于全站相關(guān)系數(shù)的，可以采用全站的線性模型。

以2011年新巴爾虎右旗春夏干旱為例，根據(jù)新巴爾虎右旗氣象局災(zāi)害調(diào)查上報(bào)數(shù)據(jù)，新巴爾虎右旗有草原面積229.6萬hm2，其中可利用草原面積181.1萬hm2，2011年5-6月降水量僅為13.5 mm，比多年均值偏少74%，出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，受干旱影響，部分地區(qū)牧草未返青，返青的牧草停止生長或枯萎，境內(nèi)克魯倫河歷史上首次斷流，人畜飲水困難。根據(jù)干旱實(shí)地調(diào)查資料顯示，截至6月22日，全旗2個(gè)蘇木、3個(gè)鎮(zhèn)遭受不同程度的干旱，水源井水位下降2～6 m，日缺水量4.32萬m3，出水井不足或干枯的飲水井521眼，全旗人畜飲水困難，全旗草原旱災(zāi)面積126.7萬hm2(其中嚴(yán)重旱災(zāi)面積106.7萬hm2)，占全旗可利用草地面積的70%，受災(zāi)牲畜105萬頭(只)，占全旗牧業(yè)年度牲畜總頭數(shù)的60%，受災(zāi)牧戶2 690戶，受災(zāi)人口9 415人，占全旗牧業(yè)戶和牧業(yè)人口的65%。根據(jù)以上評估模型計(jì)算6月末牧草受嚴(yán)重干旱減產(chǎn)約221 kg·hm-2，嚴(yán)重旱災(zāi)面積牧草總計(jì)減產(chǎn)約2.358 07億kg，牧草經(jīng)濟(jì)損失約23 580.7萬元。

2.3干旱對牲畜影響的損失評估 水是牲畜賴以生存的基本要素之一，牲畜每消耗1 kg飼料干物質(zhì)約需3 kg的水，大畜日平均飲水定額40～60 kg；小畜日平均飲水定額5 kg。當(dāng)牲畜長期處在缺水條件下時(shí)，由于供水不足，新陳代謝受阻，生理機(jī)能失調(diào)，造成掉膘體弱，免疫力下降，母畜流產(chǎn)或出生幼畜羸弱，嚴(yán)重時(shí)疫病流行，導(dǎo)致大批牲畜死亡[10]。尤其夏季干旱不但使牧草減產(chǎn)，而且使牧草中的粗蛋白、粗脂肪、鈣、磷和維生素等營養(yǎng)成分下降，牲畜采食后因營養(yǎng)不良而嚴(yán)重影響牲畜繁殖力，主要表現(xiàn)在牛不發(fā)情、卵泡不發(fā)育、受胎率低；母羊瘦弱、產(chǎn)后沒奶，羔羊弱胎、羔羊成活率低，成年羊死亡率高等[11]。

受干旱影響，牲畜即使沒有死亡，但牲畜由于食不果腹，成年牲畜出現(xiàn)掉膘或抓膘不足，幼畜瘦弱生長緩慢，最終導(dǎo)致秋季牲畜出欄時(shí)體質(zhì)量不足，畜群的整體經(jīng)濟(jì)效益下降。因此在干旱對牲畜影響的損失評估中，通過估算牧草減產(chǎn)的數(shù)量，從干旱發(fā)生日到10月底牲畜出欄計(jì)算牲畜受影響天數(shù)，將減產(chǎn)牧草折算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位(1只體質(zhì)量50 kg并哺半歲以內(nèi)羊羔，日消耗1.8 kg標(biāo)準(zhǔn)干草的成年母綿羊?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)羊單位)[12]。干旱對牲畜影響造成的直接經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算公式為：

SCS=[(∑Yi×Si)×f/(1.8×D)]×G。

(3)

式中，SCS為干旱對牲畜影響造成的直接經(jīng)濟(jì)損失；i、Yi和Si代表內(nèi)容和計(jì)算方法與公式2相同，D為從干旱發(fā)生日到10月底牲畜出欄計(jì)算牲畜受影響天數(shù)；G為每標(biāo)準(zhǔn)羊單位當(dāng)年的平均銷售價(jià)格，以2010年底每標(biāo)準(zhǔn)羊單位價(jià)格為1 500元·只-1計(jì)；f 是可食牧草比率。以2011年新巴爾虎右旗春夏干旱為例，牲畜受干旱影響損失約42 718.7萬元。

牧草的可食牧草比率利用2005-2009年各牧草地面監(jiān)測站觀測的優(yōu)良牧草比率計(jì)算，在沒有觀測站的地區(qū)采用歷史上的調(diào)查數(shù)據(jù)[13](表3)。

公式(3)適合夏季干旱對牧草生長和牲畜影響的損失評估，并且干旱發(fā)生的越早，對牲畜的影響則相對較小，這是由于后期的降水更有利于牧草的恢復(fù)性生長；干旱發(fā)生的越晚，牧草植株的再生能力降低，熱量條件對牧草后期生長的限制也越來越大，即使后期降水充足，干旱解除，牧草恢復(fù)性生長能力有限，也很難挽回干旱損失。

表3 不同草地類型和盟(市)牧草的可食牧草比率

2.4抗旱投入的人力和經(jīng)費(fèi)損失 研究表明，在游牧?xí)r代，當(dāng)草地缺水時(shí)，大部牲畜都向湖沼和河流周圍聚集，有水草地超載過牧，加劇了畜草矛盾，干旱對牲畜飲水的影響最終還是表現(xiàn)在草畜矛盾上[13]。隨著牧民的定居和游牧?xí)r代的結(jié)束，各牧民定居點(diǎn)都配有飲水井，在一般干旱季節(jié)，人和牲畜飲水問題并不突出，草畜矛盾在合理輪牧的管理方式下得到緩解，牧區(qū)的抗旱能力明顯增強(qiáng)；但遇到重旱以上的旱情，由于干旱持續(xù)時(shí)間長，季節(jié)性或小型湖沼干枯，河流斷流，地下水的補(bǔ)給量減少，地下含水層趨于枯竭，飲水井干涸，造成人畜飲水困難，因此這時(shí)草原抗旱的首要任務(wù)就是解決人和牲畜飲水問題。在水源缺少的廣袤草原上，解決人畜飲水的唯一辦法是到較遠(yuǎn)的水源地用水車?yán)Ｒ虼?抗旱投入的人力和經(jīng)費(fèi)損失計(jì)算公式為：

E=A1+A2+A3+A4。

(4)

式中，E為抗旱投入的人力和經(jīng)費(fèi)損失；A1為水費(fèi)；A2為每戶拉水設(shè)備費(fèi)用，包括儲水罐、水管、水桶和水槽等；A3為燃油消耗費(fèi)用；A4為拉水人工成本。另外，由于牧民都是利用自己的機(jī)動車或畜力車?yán)?，因此車輛使用費(fèi)不計(jì)成本。

A1=3.75×d1×(B×10+C×5)/1 000。

式中，d1為重旱和特旱發(fā)生天數(shù)或?qū)嶋H缺水天數(shù)；B為受災(zāi)人口數(shù)，以每人每天生活用水10 kg計(jì)算；C為受災(zāi)存欄牲畜折算為羊單位數(shù)量，以每羊單位每天需水5 kg計(jì)算；水價(jià)按2.0元·t-1計(jì)算。

A2=1 000×H。

一次性投入1 000元左右，H為受災(zāi)牧戶數(shù)。

A3=7.28×N×T×d1×12/100。

式中，N為拉水一次往返的里程數(shù)，一般需要20 km；T為每天每車?yán)? t的次數(shù)；燃油消耗按每百公里耗油12 L計(jì)算；柴油價(jià)格按市場7.28元·L-1。

A4=d1×N2。

式中，N2為拉水人員工資，按當(dāng)年旱區(qū)夏季農(nóng)村勞動力每人每天工資計(jì)算。

當(dāng)然在抗旱的過程中由于水源地取水井干枯，政府出資打井的抗旱費(fèi)用更多，但考慮水井能夠多年利用，因此本研究中沒有計(jì)算打井成本。

以2011年新巴爾虎右旗春夏干旱為例，根據(jù)新巴爾虎右旗氣象局災(zāi)害調(diào)查顯示，全旗有105萬頭牲畜和9 415人受災(zāi)，其中40%左右的牲畜、1 500戶牧民受干旱影響飲水困難，重旱持續(xù)時(shí)間40 d左右，計(jì)算抗旱投入人力和經(jīng)費(fèi)損失574.4萬元。

綜合評估計(jì)算表明，受干旱影響，新巴爾虎右旗畜2011年牧業(yè)總計(jì)損失66 873.8萬元。7月初，新巴爾虎右旗出現(xiàn)了25 mm以上的降水過程，有效解除了前期的旱情，未返青地區(qū)的牧草開始返青，并快速進(jìn)入積極生長階段，到7月底牧草干草產(chǎn)量增加到1 435 kg·hm-2，是6月底的12倍多，牧草產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)由歉年到豐年的突變，這也正反映了干旱發(fā)生的越早，對牧業(yè)年度生產(chǎn)的影響越小。

3 討論與結(jié)論

本研究表明，利用降水距平百分率劃分草地干旱等級，并利用5-8月降水量與牧草產(chǎn)量的關(guān)系評估干旱造成直接損失，評估模型符合草地牧草生長規(guī)律和畜牧業(yè)生產(chǎn)特征，實(shí)例評估符合畜牧業(yè)實(shí)際損失程度，因此能夠在干旱對草地畜牧業(yè)評估服務(wù)中推廣應(yīng)用。另外，干旱對草地退化和沙化、野生動物生命受到威脅，草地生態(tài)系統(tǒng)造成的間接經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直接經(jīng)濟(jì)損失，但由于資料和技術(shù)有限，還有待進(jìn)一步加強(qiáng)觀測和研究。

近年來，隨著內(nèi)蒙古草原區(qū)氣候變暖的加劇，草原干旱呈連年頻發(fā)趨勢，影響區(qū)域越來越廣，因旱災(zāi)而造成的經(jīng)濟(jì)損失也越來越大，需要采取綜合措施，全社會共同應(yīng)對。草原抗旱工作應(yīng)該遵循政府主導(dǎo)、部門聯(lián)動、全社會參與的原則[14]，充分發(fā)揮政府在抗旱指揮、協(xié)調(diào)和管理職能，加強(qiáng)草原牧區(qū)水源地建設(shè)，解決人畜飲水問題；加強(qiáng)高產(chǎn)人工飼草基地建設(shè)[15]，加強(qiáng)飼草儲備，解決飼草料缺口，提高畜牧業(yè)抗干旱能力；加強(qiáng)優(yōu)良畜種引進(jìn)，改良畜群結(jié)構(gòu)，提高飼草利用率，增強(qiáng)牲畜體質(zhì)，提高牲畜抗旱能力；加強(qiáng)草原草畜平衡管理，減輕牧場壓力[16]，促進(jìn)草地資源的合理開發(fā)利用，提高畜牧業(yè)綜合抗旱能力。

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